JP4639376B2 - リチウムマイクロ電池の製造方法 - Google Patents
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Description
発明の背景
本発明は第１の電極と第２の電極との間に配置される電解質膜と、第１の電極と第２の電極の両側に配置される集電体とを備えるリチウムマイクロ電池の製造方法に関する。
本発明は第１の電極と第２の電極との間に配置される電解質膜と、第１の電極と第２の電極の両側に配置される集電体とを備えるリチウムマイクロ電池の製造方法に関する。
従来の技術
薄膜状で厚さが７μｍから３０μｍ（好ましくは約１５μｍ）であるリチウムマイクロ電池は従来、化学蒸着（ＣＶＤ）または物理蒸着（ＰＶＤ）技術によって形成されている。このタイプのマイクロ電池は、例えば国際公開公報ＷＯ−Ａ−９，８４８，４６７に記載されている。
薄膜状で厚さが７μｍから３０μｍ（好ましくは約１５μｍ）であるリチウムマイクロ電池は従来、化学蒸着（ＣＶＤ）または物理蒸着（ＰＶＤ）技術によって形成されている。このタイプのマイクロ電池は、例えば国際公開公報ＷＯ−Ａ−９，８４８，４６７に記載されている。
マイクロ電池の動作原理は、マイクロ電池の正極で、アルカリ金属イオンまたはプロトン、好ましくは金属リチウム電極からもたらされるリチウムイオンＬｉ＋、を挿入または脱挿入することを基本とする。マイクロ電池は、ＣＶＤまたはＰＶＤによってそれぞれが２つの集電層、正極層、電解質層、負極層、および場合によっては封止層（図示せず）などを構成する層を積層させることによって形成される。
マイクロ電池の構成要素は、さまざまな物質から成ってもよい。
金属集電層３ａおよび３ｂは、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）などをベースにしてもよい。
正極層は、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＣｕＳ、ＣｕＳ２、ＷｏｙＳｚ、ＴｉＯｙＳｚ、Ｖ２Ｏ５、またはＶ３Ｏ８と、これらのバナジウム酸化物と金属硫化物のリチウム化合物から形成することができる。
電解質層は、優れたイオン伝導体および電気絶縁体であるが、ボロン酸化物、リチウム酸化物またはリチウム塩ベースのガラス質材料で形成することができる。
負極層は、熱蒸着によって堆積された金属リチウム、リチウムベースの金属合金、ＳｉＴＯＮ、ＳｎＮｘ、ＩｎＮｘ、ＳｎＯ２などのタイプの挿入化合物によって形成できる。
封止層を入れるとすればその目的は、外部環境、特に、湿気から活性積層体を保護することにある。また封止層は、セラミック、ポリマー（ヘキサメチルジシロキサン、パリレン、エポキシ樹脂など）、金属、またはこれら異なる材料の積層体などから成る。
米国特許第５，５８２，６２３号には、基板上に堆積したペーストで薄膜を作り、そこからリチウム電池の正極を形成することが記載されている。
基板は、金属集電体か、あるいは例えばテフロン（Ｒ）などのような非粘着性の基板であり、電極は乾燥した後基板から分離されて集電体に固定される。
用いられる材料に応じて、マイクロ電池の動作電圧は２Ｖから４Ｖとなり、表面容量は約１００μＡｈ／ｃｍ２となる。マイクロ電池を充電するには２、３分しか必要としない。ここで用いられる製造技術によって、必要な形状および面はすべて得ることができる。
原則的には、電極の厚みを増すことによって、または並列接続したマイクロ電池を重ね合わせることによってマイクロ電池の容量を増すことができる。しかし、これらの改良を施すのには細心の注意を要する。実際のところ、初期特性を保ちながら、蒸着によって厚さ１０μｍ以上の層を得ることは困難である。さらに、階層状のマイクロ電池の場合、リチウムの拡散によって異なる層で発生する体積の変化により、応力に大きな問題が起こる。
さらに、現在市場で入手可能であり、コーティング技術を用いて製造されるミニ電池の厚みは３００μｍから６５０μｍであり、表面容量は約２〜３ｍＡｈ／ｃｍ２である。すなわち、マイクロ電池のものよりかなり大きい。現在のミニ電池はあまりにも厚みがあるため、集積回路上に置くことができない。特に最大の厚さでも０．７６ｍｍ以下である、スマートカードに用いることができない。
発明の目的
本発明の目的は、集積回路に配置されうるエネルギー源の、表面容量を増すことにある。
本発明の目的は、集積回路に配置されうるエネルギー源の、表面容量を増すことにある。
本発明によれば、第１の電極が第１の金属片上に表面被覆と次に行われる冷間圧縮によって形成され、集電体が形成される前に第１の金属片が取り除かれることによって、この目的は達成される。
本発明の第１の改良形によれば、第２の電極が第２の金属片上に表面被覆と次に行われる冷間圧縮とによって形成され、集電体が形成される前に第２の金属片は取り除かれる。
本発明の第２の改良形によれば、第２の電極は表面被覆によって電解質膜上に形成される。
電極および電解質膜は、金属片が除去される前に、ホットプレスによって組み合わされる。
本発明の他の特徴は、物理蒸着法により、薄膜状の集電体が電極上に形成されることである。
他の利点や特徴は、以下に述べる本発明の実施形態によってより明確になる。これらの実施形態は、単に非制限的な例示にすぎず、添付の図面に表されている。
特定の実施形態
第１工程では、負極１が形成される。例えば、以下の４つの成分の混合により、インクが作られる。
第１工程では、負極１が形成される。例えば、以下の４つの成分の混合により、インクが作られる。
・リチウムの挿入に関わる活物質を形成するＳＰＧ６ＴＭグラファイトとメソカーボンボール
・電極に機械的な粘着性を与える機能を持つ、ＰＶＤＦポリマー
・電極の導電性を向上させる、カーボンブラック
このようにして作られたインクは、銅から成る第１の金属片２上に塗布され、２ｔ／ｃｍ２で圧縮される。１以上の工程で冷間圧縮を行うことにより、電極１に所望の厚さを得ることができ、また電極１の機械的支持部材となる、金属片２へ粘着するようにする。
・電極に機械的な粘着性を与える機能を持つ、ＰＶＤＦポリマー
・電極の導電性を向上させる、カーボンブラック
このようにして作られたインクは、銅から成る第１の金属片２上に塗布され、２ｔ／ｃｍ２で圧縮される。１以上の工程で冷間圧縮を行うことにより、電極１に所望の厚さを得ることができ、また電極１の機械的支持部材となる、金属片２へ粘着するようにする。
第２工程では、マンガン酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、ＰＶＤＦ、およびカーボンブラックから成るインク状の正極３がアルミニウムから成る第２の金属片４上に塗布され、２ｔ／ｃｍ２で圧縮されることによって形成される。
第３工程では、ＰＶＤＦ／ＨＦＰコポリマーから成る電解質膜５が形成される。電解質膜５は、活性化後、電気的絶縁なイオン透過膜となる。電解質膜５は転相によって形成され、これにより制御的微孔質となる。このプロセスは以下の３つの工程を要する。
・上述のコポリマー、溶剤（除去される前にポリマーを多孔質化する）、そして場合によって非溶剤の、二成分または三成分混合物をガラスの支持体の上に塗布する。
・非溶剤相に浸すことによって、あるいは選択的乾燥によって、溶剤を分離する。
・電解質膜を最終的に乾燥させる。
第４工程では、それぞれ金属片２および４に支持される電極１および３が組み合わされる。互いに向き合う電極の間に、電解質膜５が配置される。正極／電解質膜／負極の組み合わせ品は、厚さが５０μｍから１００μｍになるよう厚さ調整をされながら、熱間圧縮（０．５ｔ／ｃｍ２、１２０℃）によって接着され、図１の組み合わせ品となる。
第５工程では、好ましくは機械的分離によって、金属片２および４が取り除かれる。図２に金属片２および４を取り除いた後の組み合わせ品を示す。先の工程までの表面被覆および圧縮条件は最適化されており、第５工程での金属片の機械的分離を容易にする。
図３に示す第６工程では、接続端子として機能する薄膜状の集電体が物理蒸着によって電極上に形成される。厚さ０．２μｍの銅層から成る、第１の集電体６は、負極１上に堆積される。厚さ０．２μｍのアルミニウム層から成る第２の集電体７は、正極３上に堆積される。
図４に示す第７工程では、マイクロ電池は集積回路８上に集積される。これは、マイクロエレクトロニクス（フリップチップ、ボンディング、ダイレクトまたはアノードシーリング）の分野では周知の適当な技術を用いて行われる。好ましくは、低い温度で溶融する物質から成る接続ボール９を用いて接続をすることによって集積化が成され、マイクロ電池と集積回路との機械的接続と、集電体の片方（図４では６）と集積回路との電気的接続との両方が成される。好ましくは、接続ボール９はマイクロ電池の材料に対応する融点（１５７℃）を持つ、インジウムから成る。
図５に示す第８工程では、接続ボール９によって集積回路８に電気的に接続されていない集電体７が、少なくとも１本のワイヤ１０によって集積回路に接続される。ワイヤ１０は、一端で集電体７上にハンダづけされ、もう一端で集積回路８にハンダづけされる。
最終工程では、リチウム塩から成る電解質を真空中で充填することによって、マイクロ電池は活性化する。次にマイクロ電池は、例えばシリコン保護キャップによって封止される。
このように、上述の製造方法では従来ミニ電池を製造するのに用いられてきた技術（電極と電解質膜とで構成される活性積層体の層の表面被覆）と同様の技術が一部で用いられている。しかし、金属片を分離することにより、この積層体の厚さはかなり減少している。次に、マイクロエレクトロニクスの分野で標準的に行われている、ＰＶＤタイプの技術を用いて集電体を堆積することにより、この積層体は完成される。
これにより、例えば表面積が２５ｍｍ２で厚さが５０μｍであり、表面容量が約５００μＡｈ／ｃｍ２（すなわち１２５μＡｈ）、つまり現在のマイクロ電池の５倍も表面容量が大きいマイクロ電池を製造することができる。このマイクロ電池は、自己の充電および放電を管理する集積回路上に実装することができる。このようにして得られたマイクロ電池は、ミニ電池の利点（特に高い表面容量）と、マイクロ電池の利点（集積回路に実装可能）を併せ持つ。このタイプのマイクロ電池は特に、スマートカードやスマートラベルの安全性を向上させるのに用いられる。
図６に示す他の実施形態では、単一の金属片が用いられる。先ほどと同様に、電極の片方、例えば負極１が金属片２上に形成される。次に電解質膜５が負極１上に形成され、もう片方の電極（正極３）が電解質膜５上に直接塗布されることによって形成される。組み合わせ品の熱間圧縮後、金属片２は取り除かれる。このようにして形成された組み合わせ品は、図２に示すものと同様であり、その後の製造工程は変わらない。
１，３ 電極
２，４ 金属片
５ 電解質膜
６，７ 集電体
８ 集積回路
９ 接続ボール
１０ ワイヤ
２，４ 金属片
５ 電解質膜
６，７ 集電体
８ 集積回路
９ 接続ボール
１０ ワイヤ
Claims (9)
- 第１電極および第２電極（１，３）の間に配置される電解質膜（５）と、前記第１電極および第２電極における前記電解質膜（５）とそれぞれの反対側に配置される集電体（６，７）とを備えるリチウムマイクロ電池の製造方法であって、
前記第１電極（１）は、第１の金属片（２）の表面の被覆を行い、次に冷間圧縮を行うことによって前記第１の金属片（２）上に形成され、
前記第２電極（３）は、第２の金属片（４）の表面の被覆を行い、次に冷間圧縮を行うことによって前記第２の金属片（４）上に形成され、
前記第１電極および第２電極（１，３）と、前記電解質膜（５）とは、熱間圧縮によって組み合わせられ、
前記第１の金属片（２）は、前記集電体（６，７）が形成される前に取り除かれ、
前記第２の金属片（４）は、前記集電体（６，７）が形成される前に取り除かれることを特徴とする、リチウムマイクロ電池の製造方法。 - 前記電極と、前記電解質膜とは、前記金属片が取り除かれる前に、熱間圧縮によって組み合わされることを特徴とする、請求項１に記載のリチウムマイクロ電池の製造方法。
- 第１電極および第２電極（１，３）の間に配置される電解質膜（５）と、前記第１電極および第２電極における前記電解質膜（５）とそれぞれの反対側に配置される集電体（６，７）とを備えるリチウムマイクロ電池の製造方法であって、
前記第１電極（１）は、第１の金属片（２）の表面の被覆を行い、次に冷間圧縮を行うことによって前記第１の金属片（２）上に形成され、
前記第２電極（３）は、表面被覆によって前記電解質膜（５）上に形成され、
前記第１電極および第２電極（１，３）と、前記電解質膜（５）とは、熱間圧縮によって組み合わせられ、
前記第１の金属片（２）は、前記集電体（６，７）が形成される前に取り除かれることを特徴とする、リチウムマイクロ電池の製造方法。 - 前記電極と、前記電解質膜とは、前記第１の金属片が取り除かれる前に、熱間圧縮によって組み合わされることを特徴とする、請求項３に記載のリチウムマイクロ電池の製造方法。
- 前記金属片（２，４）は、機械的に分離されることを特徴とする、請求項１乃至４の１つに記載のリチウムマイクロ電池の製造方法。
- 前記集電体（６，７）は、物理的蒸着法（ＰＶＤ）によって前記電極（１，２）上に形成された薄膜から成ることを特徴とする、請求項１乃至５の１つに記載のリチウムマイクロ電池の製造方法。
- 前記マイクロ電池は集積回路（８）上に接着されており、その接着は、前記マイクロ電池と前記集積回路との機械的接続と、前記集電体の片方と前記集積回路との電気的接続の両方を行う、接続ボール（９）によって成されていることを特徴とする、請求項１乃至６の１つに記載のリチウムマイクロ電池の製造方法。
- 前記接続ボール（９）は、インジウムから成ることを特徴とする、請求項７に記載のリチウムマイクロ電池の製造方法。
- もう片方の前記集電体は、少なくとも１つのワイヤ（１０）によって、前記集積回路と電気的に接続されていることを特徴とする、請求項７または８に記載のリチウムマイクロ電池の製造方法。
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